GO语言 channel 字符串 go语言channel 原理

前言

如果说goroutine是Go语言程序的并发体的话，那么channel则是它们之间的通信机制。一个channel就是一个通讯机制，可以让一个goroutine通过它给另一个goroutine发送值信息。每一个channel都有一个特殊的类型，也就是channel可发送数据的类型。
与map类似，channel也对应一个make创建的底层数据结构的引用。当我们复制一个channel或者用于函数参数传递时，我们只是拷贝了一个channel引用，因此调用者和被调用者将引用同一个channel对象。
两个相同类型的channel可以使用==运算符比较

用法

channel又可以分为无缓存channel和带缓存channel

无缓存Channel

ch:=make(chan int)
ch:=make(chan int,0)

一个基于无缓存的channel的发送操作将导致发送者goroutine阻塞，直到另一个goroutine在相同的channel上执行接收操作
反之，如果接收操作先发生，那么接受者goroutine也将阻塞
在无缓存channel发送数据时，接收者收到数据发生在唤醒发送者goroutine之前（happens before）

带缓存Channel

ch:=make(chan int,1)

内部持有一个元素队列，队列的最大的容量是在调用make函数创建channel时通过第二个参数指定的
向缓存channel的发送操作就是向内部缓存队列的尾部插入元素，接收操作则是从队列的头部删除元素
如果内存队列满了，那么发送操作将会阻塞直到另一个goroutine执行接收操作
反之，如果channel为空，接收操作将会阻塞直到另一个goroutine执行发送操作

向 Channel 中发送内容

ch<-1

从 Channel 中接收内容

var i:=<-ch

如果channel中已经没有数据，将会产生一个零值数据

关闭Channel

close(ch)

关闭后，即使channel为空，接收者也不会再阻塞
关闭后，接收操作依然可以接收到之前已经成功发送的数据

注意：重复关闭一个channel会导致panic异常，试图关闭一个nil值的channel也会导致panic异常

源码分析

注意：我会把源码中每个方法的作用都注释出来，可以参考注释进行理解。

func main() {
	ch:=make(chan int,1) // 4
	ch<-1                //5
	close(ch)            //6
	<-ch                 //7
}

首页，我们通过汇编语言查看底层函数，我们主要看CALL指令就可以了

0x0024 00036 (channel.go:4)     PCDATA  $2, $1
        0x0024 00036 (channel.go:4)     PCDATA  $0, $0
        0x0024 00036 (channel.go:4)     LEAQ    type.chan int(SB), AX
        0x002b 00043 (channel.go:4)     PCDATA  $2, $0
        0x002b 00043 (channel.go:4)     MOVQ    AX, (SP)
        0x002f 00047 (channel.go:4)     MOVQ    $1, 8(SP)
        0x0038 00056 (channel.go:4)     CALL    runtime.makechan(SB)
        0x003d 00061 (channel.go:4)     PCDATA  $2, $1
        0x003d 00061 (channel.go:4)     MOVQ    16(SP), AX
        0x0042 00066 (channel.go:4)     PCDATA  $0, $1
        0x0042 00066 (channel.go:4)     MOVQ    AX, "".ch+24(SP)
        0x0047 00071 (channel.go:5)     PCDATA  $2, $0
        0x0047 00071 (channel.go:5)     MOVQ    AX, (SP)
        0x004b 00075 (channel.go:5)     PCDATA  $2, $2
        0x004b 00075 (channel.go:5)     LEAQ    "".statictmp_0(SB), CX
        0x0052 00082 (channel.go:5)     PCDATA  $2, $0
        0x0052 00082 (channel.go:5)     MOVQ    CX, 8(SP)
        0x0057 00087 (channel.go:5)     CALL    runtime.chansend1(SB)
        0x005c 00092 (channel.go:6)     PCDATA  $2, $1
        0x005c 00092 (channel.go:6)     MOVQ    "".ch+24(SP), AX
        0x0061 00097 (channel.go:6)     PCDATA  $2, $0
        0x0061 00097 (channel.go:6)     MOVQ    AX, (SP)
        0x0065 00101 (channel.go:6)     CALL    runtime.closechan(SB)
        0x006a 00106 (channel.go:7)     PCDATA  $2, $1
        0x006a 00106 (channel.go:7)     PCDATA  $0, $0
        0x006a 00106 (channel.go:7)     MOVQ    "".ch+24(SP), AX
        0x006f 00111 (channel.go:7)     PCDATA  $2, $0
        0x006f 00111 (channel.go:7)     MOVQ    AX, (SP)
        0x0073 00115 (channel.go:7)     MOVQ    $0, 8(SP)
        0x007c 00124 (channel.go:7)     CALL    runtime.chanrecv1(SB)

结构体

首先我们看一下channel结构体

runtime\chan.go

type hchan struct {
	qcount   uint           // 队列中的元素总数 len
	dataqsiz uint           // 队列的大小 cap
	buf      unsafe.Pointer // 指向dataqsiz 的指针
	elemsize uint16  // sizeof(chan) 中的数据
	closed   uint32  //是否关闭
	elemtype *_type // 元素类型
	sendx    uint   //发送下标
	recvx    uint   // 接收下标
	recvq    waitq  // 等待读消息的goroutine队列
	sendq    waitq  //等待写消息的goroutine队列

	//锁保护hchan中的所有字段，以及几个
	//在此通道上被阻止的sudogs中的字段。
	//按住此锁定时不要更改另一个G的状态
	//（特别是不要准备G），因为这可能会导致死锁
	lock mutex
}

初始化makechan

func makechan(t *chantype, size int) *hchan {
	elem := t.elem

	//编译器检查元素类型
	if elem.size >= 1<<16 {
		throw("makechan: invalid channel element type")
	}
	if hchanSize%maxAlign != 0 || elem.align > maxAlign {
		throw("makechan: bad alignment")
	}
	
	//获取需要分配的内存
	mem, overflow := math.MulUintptr(elem.size, uintptr(size))
	if overflow || mem > maxAlloc-hchanSize || size < 0 {
		panic(plainError("makechan: size out of range"))
	}

	// 如果 hchan 中的元素不包含有指针，那么就没什么和 GC 相关的信息了
	var c *hchan
	//多实用switch少用if else
	switch {
	//队列或元素大小为0
	case mem == 0:
		c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize, nil, true))
		// Race detector uses this location for synchronization.
		c.buf = c.raceaddr()
	//元素中不包含指针	
	case elem.kind&kindNoPointers != 0:
		//元素不包含指针。
		//一次调用分配hchan和buf。
		//这种情况，gc不会对 channel 中的元素进行 scan
		c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize+mem, nil, true))
		c.buf = add(unsafe.Pointer(c), hchanSize)
	default:
		// 元素中包含指针
		//区别：调用了两次分配空间的函数
		c = new(hchan)
		c.buf = mallocgc(mem, elem, true)
	}

	c.elemsize = uint16(elem.size)
	c.elemtype = elem
	c.dataqsiz = uint(size)

	if debugChan {
		print("makechan: chan=", c, "; elemsize=", elem.size, "; elemalg=", elem.alg, "; dataqsiz=", size, "\n")
	}
	return c
}

发送数据chansend1

func chansend1(c *hchan, elem unsafe.Pointer) {
	chansend(c, elem, true, getcallerpc())
}

func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
	//如果channel为nil
	if c == nil {
		if !block {
			return false
		}
		// nil channel 发送数据会永远阻塞下去
		// 挂起当前 goroutine
		gopark(nil, nil, waitReasonChanSendNilChan, traceEvGoStop, 2)
		throw("unreachable")
	}
	if debugChan {
		print("chansend: chan=", c, "\n")
	}
	if raceenabled {
		racereadpc(c.raceaddr(), callerpc, funcPC(chansend))
	}
	//检查是否阻塞
	//检查是否关闭，channel关闭之后不能发送
	//检查channel容量&&检查channel 接收队列是否为空
	//检查channel队列是否满了
	if !block && c.closed == 0 && ((c.dataqsiz == 0 && c.recvq.first == nil) ||
		(c.dataqsiz > 0 && c.qcount == c.dataqsiz)) {
		return false
	}

	var t0 int64
	if blockprofilerate > 0 {
		t0 = cputicks()
	}

	lock(&c.lock)
	
	// channel 已被关闭，panic异常
	if c.closed != 0 {
		unlock(&c.lock)
		panic(plainError("send on closed channel"))
	}

	//找到等待的接收者
	if sg := c.recvq.dequeue(); sg != nil {
		//直接把要发的数据拷贝给这个 receiver
		send(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
		return true
	}
	
	//如果channel队列还没满
	if c.qcount < c.dataqsiz {
		// 通道缓冲区中有可用空间。发送的元素入队。
		qp := chanbuf(c, c.sendx)
		if raceenabled {
			raceacquire(qp)
			racerelease(qp)
		}
		//将 goroutine 的数据拷贝到 buffer 中
		typedmemmove(c.elemtype, qp, ep)
		// 将发送 index 加一
		c.sendx++
		//满了，重置index
		if c.sendx == c.dataqsiz {
			c.sendx = 0
		}
		//长度加1
		c.qcount++
		unlock(&c.lock)
		return true
	}

	if !block {
		unlock(&c.lock)
		return false
	}

	//在 channel 上阻塞，receiver 会帮我们完成后续的工作
	gp := getg()
	mysg := acquireSudog()
	mysg.releasetime = 0
	if t0 != 0 {
		mysg.releasetime = -1
	}
	// No stack splits between assigning elem and enqueuing mysg
	// on gp.waiting where copystack can find it.
	mysg.elem = ep
	mysg.waitlink = nil
	mysg.g = gp
	mysg.isSelect = false
	mysg.c = c
	gp.waiting = mysg
	gp.param = nil
	// 将当前这个发送 goroutine 打包后的 sudog 入队到 channel 的 sendq 队列中
	c.sendq.enqueue(mysg)
	// 将这个发送 goroutine 从 Grunning -> Gwaiting
    // 进入休眠
	goparkunlock(&c.lock, waitReasonChanSend, traceEvGoBlockSend, 3)
	
	//确保发送的值保持活动状态，直到接收者将其复制出来
	KeepAlive(ep)

	// 唤醒
	//如果不是合法的唤醒
	if mysg != gp.waiting {
		throw("G waiting list is corrupted")
	}
	gp.waiting = nil
	//唤醒
	if gp.param == nil {
		if c.closed == 0 {
			throw("chansend: spurious wakeup")
		}
		//唤醒字后发现channel被关闭了
		panic(plainError("send on closed channel"))
	}
	//可唤醒
	gp.param = nil
	if mysg.releasetime > 0 {
		blockevent(mysg.releasetime-t0, 2)
	}
	mysg.c = nil
	releaseSudog(mysg)
	return true
}

上面代码看着复杂，我们在总结一下发送数据的过程：

1. 如果等待接收队列recvq不为空，说明缓冲区中没有数据或者没有缓冲区，此时直接从recvq取出goroutine,并把数据写入，最后把该G唤醒，结束发送过程；
2. 如果缓冲区中有空余位置，将数据写入缓冲区，结束发送过程；
3. 如果缓冲区中没有空余位置，将待发送数据写入goroutine，将当前goroutine加入sendq，进入睡眠，等待被读goroutine唤醒；

接收数据chanrecv1

func chanrecv1(c *hchan, elem unsafe.Pointer) {
	chanrecv(c, elem, true)
}

func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
	if debugChan {
		print("chanrecv: chan=", c, "\n")
	}
	//如果channel为空
	if c == nil {
		if !block {
			return
		}
		// 挂起当前 goroutine
		gopark(nil, nil, waitReasonChanReceiveNilChan, traceEvGoStop, 2)
		throw("unreachable")
	}

	//同上
	// 非阻塞且没内容可收的情况下要直接返回
	if !block && (c.dataqsiz == 0 && c.sendq.first == nil ||
		c.dataqsiz > 0 && atomic.Loaduint(&c.qcount) == 0) &&
		atomic.Load(&c.closed) == 0 {
		return
	}

	var t0 int64
	if blockprofilerate > 0 {
		t0 = cputicks()
	}
	//加锁
	lock(&c.lock)

	//当前channel没有数据可读
	if c.closed != 0 && c.qcount == 0 {
		if raceenabled {
			raceacquire(c.raceaddr())
		}
		//释放锁
		unlock(&c.lock)
		if ep != nil {
			typedmemclr(c.elemtype, ep)
		}
		return true, false
	}
	// sender 队列中有 sudog 在等待
    // 直接从该 sudog 中获取数据拷贝到当前 g 即可
	if sg := c.sendq.dequeue(); sg != nil {
		recv(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
		return true, true
	}

	//还有可读数据
	if c.qcount > 0 {
		// Receive directly from queue
		qp := chanbuf(c, c.recvx)
		if raceenabled {
			raceacquire(qp)
			racerelease(qp)
		}
		if ep != nil {
			typedmemmove(c.elemtype, ep, qp)
		}
		// 直接从 buffer 里拷贝数据
		typedmemclr(c.elemtype, qp)
		//接收索引 +1
		c.recvx++
		if c.recvx == c.dataqsiz {
			c.recvx = 0
		}
		//buffer 元素计数 -1// buffer 元素计数 -1
		c.qcount--
		unlock(&c.lock)
		return true, true
	}

	if !block {
		unlock(&c.lock)
		return false, false
	}

	//没有可用的发送者，阻塞当前channel
	gp := getg()
	mysg := acquireSudog()
	mysg.releasetime = 0
	if t0 != 0 {
		mysg.releasetime = -1
	}
	// No stack splits between assigning elem and enqueuing mysg
	// on gp.waiting where copystack can find it.
	mysg.elem = ep
	mysg.waitlink = nil
	gp.waiting = mysg
	mysg.g = gp
	mysg.isSelect = false
	mysg.c = c
	gp.param = nil
	// 进入 recvq 队列
	c.recvq.enqueue(mysg)
	//等待 Grunning -> Gwaiting
	goparkunlock(&c.lock, waitReasonChanReceive, traceEvGoBlockRecv, 3)

	// 非正常唤醒
	if mysg != gp.waiting {
		throw("G waiting list is corrupted")
	}
	gp.waiting = nil
	if mysg.releasetime > 0 {
		blockevent(mysg.releasetime-t0, 2)
	}
	closed := gp.param == nil
	//唤醒
	gp.param = nil
	mysg.c = nil
	releaseSudog(mysg)
	return true, !closed
}

读取数据过程总结如下：

1. 如果等待发送队列sendq不为空，且没有缓冲区，直接从sendq中取出goroutine，把goroutine中数据读出，最后把goroutine唤醒，结束读取过程；
2. 如果等待发送队列sendq不为空，此时说明缓冲区已满，从缓冲区中首部读出数据，把goroutine中数据写入缓冲区尾部，把goroutine唤醒，结束读取过程；
3. 如果缓冲区中有数据，则从缓冲区取出数据，结束读取过程；
4. 将当前goroutine加入recvq，进入睡眠，等待被写goroutine唤醒；

关闭closechan

func closechan(c *hchan) {
	//channel为空，不能关闭
	if c == nil {
		panic(plainError("close of nil channel"))
	}
	//加锁
	lock(&c.lock)
	// 如果 channel 已经关闭过了
    // 直接触发 panic
	if c.closed != 0 {
		unlock(&c.lock)
		panic(plainError("close of closed channel"))
	}

	if raceenabled {
		callerpc := getcallerpc()
		racewritepc(c.raceaddr(), callerpc, funcPC(closechan))
		racerelease(c.raceaddr())
	}

	c.closed = 1

	var glist gList

	//释放所有的接收者
	for {
		sg := c.recvq.dequeue()
		if sg == nil {
			break
		}
		if sg.elem != nil {
			typedmemclr(c.elemtype, sg.elem)
			sg.elem = nil
		}
		if sg.releasetime != 0 {
			sg.releasetime = cputicks()
		}
		gp := sg.g
		gp.param = nil
		if raceenabled {
			raceacquireg(gp, c.raceaddr())
		}
		// 将 goroutine 入 glist
		glist.push(gp)
	}

	// 释放所有的发送者
	//可能会出现panic
	for {
		sg := c.sendq.dequeue()
		if sg == nil {
			break
		}
		sg.elem = nil
		if sg.releasetime != 0 {
			sg.releasetime = cputicks()
		}
		gp := sg.g
		gp.param = nil
		if raceenabled {
			raceacquireg(gp, c.raceaddr())
		}
		// 将 goroutine 入 glist
		glist.push(gp)
	}
	//释放锁
	unlock(&c.lock)

	//把所有的G重置
	for !glist.empty() {
		gp := glist.pop()
		gp.schedlink = 0
		//使 g 的状态切换到 Grunnable
		goready(gp, 3)
	}
}

关闭channel时会把recvq中的G全部唤醒，本该写入G的数据位置为nil。把sendq中的G全部唤醒，但这些G会panic。
除此之外，panic出现的常见场景还有：

1. 关闭值为nil的channel
2. 关闭已经被关闭的channel
3. 向已经关闭的channel写数据

Goroutine泄漏

例如：

func query()string{
	ch:=make(chan string)
	go func() {ch<-"A"}()
	go func() {ch<-"B"}()
	return <-ch
}

我们使用了无缓存channel，那么慢的那个goroutine将会因为没有人接收而被永远卡住，这种情况称为goroutine泄露。和垃圾变量不同，泄露的goroutine并不会被自动回收，因此确保每个不再需要的goroutine能正常退出是非常重要的。